sistema hibrido de energia.pdf

Resumen. En este trabajo se realiza el diseo y cl-culo de los dispositivos de un sistema hbrido de ener-ga, integrado por un generador fotovoltaico (arreglo de paneles solares), una fuente de energa conven-cional (red elctrica), un banco de bateras para el almacenamiento de la energa proveniente del arre-glo fotovoltaico y los respectivos dispositivos de con-trol de las etapas y la interaccin de las mismas. El sistema hbrido se constituye en una solucin econ-mica para un suministro confiable de electricidad. En el trabajo se enfatiza el diseo del inversor de poten-cia, se aportan datos necesarios para la seleccin o construccin de las partes elctricas involucradas en la implementacin de un convertidor multinivel de 81 escalones. Con el uso de este inversor se garantiza un mejoramiento ostensible de la calidad de la energa elctrica suministrada por el sistema hbrido.

Palabras clave: Sistema hbrido; Energa fotovoltai-ca; Inversor; Inversores multinivel; Convertidor Buck.

Abstract. This paper presents the design and the de-vices calculation of a hybrid power system integrated by a photovoltaic (PV) source (solar array), a conven-tional power source (mains), a battery array to store energy from the PV generator and the stage control devices and its interaction. The hybrid system is an economical solution for a reliable power supply. The paper emphasizes in the design of the power inverter, providing all data required for the selection and cons-truction (all electrical parts involved) of a 81 steps mul-tilevel inverter. With the use of this inverter the energy quality provide by the hybrid system is guarantee.

Keywords: Hybrid system, photovoltaic energy, power inverter, multilevel inverter, buck converter.

SISTEMA HBRIDO DE ENERGA UTILIZANDO ENERGA SOLAR Y RED ELCTRICA

HYBRID POWER SYSTEM USING SOLAR ENERGY AND POWER LINE SUPPLY

Mg. Jorge Daz RodrguezUniversidad de Pamplona, Colombia

[email protected]

Ing. Luis Pabn FernndezUniversidad de Pamplona, Colombia

[email protected]

Ph.D. Aldo Pardo GarcaUniversidad de Pamplona, Colombia

[email protected]

(Artculo de Investigacin cientfica y tecnolgica. Recibido el 03/10/2011. Aprobado el 19/12/2011)

Lmpsakos | No. 7 | PP. 69-77 | enero-junio | 2012 | ISSN: 2145-4086 | Medelln - Colombia

70

Lmpsakos | No. 7 | enero-junio 2012

1. INTRODUCCIN

Los sistemas de energa hbridos utilizan fuentes de energa primaria como la energa solar, elica, hidroelctrica, geotrmica, mareomotriz y biomasa, entre otras. Un sistema que utiliza alguna combina-cin de estas fuentes tiene la ventaja de presentar un mayor equilibrio y estabilidad, disfruta de una mejor calidad de la energa y proporciona salidas estables a partir de sus fuentes primarias y se reduciendo la dependencia de la salida de los cambios externos como las variaciones climticas y la escasez de com-bustibles. Se optimiza la utilizacin de las fuentes de energas alternativas disponibles.

Hacer una revisin del estado del arte sobre siste-mas hbridos implica revisar trabajos en la regin como [1], [2], [3], [4] en los que se realizan el diseo y clculo, inclusive con software especializado. En dichos trabajos se enfatiza en determinar las capa-cidades de los dispositivos; sin embargo, usan el inversor de potencia convencional, que genera una distorsin armnica (THD) considerable. En [5] se mencionan topologas de sistemas hbridos pero no se establece una seleccin ptima de la fuente de energa primaria. En [6] y [7] se optimiza la selec-cin de la fuente primaria de energa mediante el modelado de los componentes de un sistema hbri-do, pero no existe una optimizacin en la seleccin de los dispositivos que integran al sistema hbrido. Tampoco se tiene en cuenta la calidad de la energa suministrada. En [8] se hace una revisin del estado del arte de los sistemas hbridos de energa que uti-lizan como energa primaria la energa solar, elica, convencional (red) y diesel. Se hace nfasis en los desarrollos futuros con el potencial econmico de cada sistema. En este trabajo se pone de manifiesto la capacidad de avance en los sistemas hbridos que usan energa solar. Finalmente, en [9], se describe una metodologa para disear y evaluar los sistemas hbridos de energa renovable y se visiona la proyec-cin para su futuro.

2. SISTEMA HBRIDO DE ENERGA

Cualquier sistema de energa hbrido, por lo general, implica la conversin de la energa porque la energa primaria generada es de CD, o, por defecto, conver-tida a CD, para permitir el uso de las bateras que se utilizan para almacenar energa elctrica. Luego, para su uso final, se hace necesario convertir la CD en CA, puesto que la mayora de los electrodoms-

ticos usan esta corriente de 120 V o 220 V y una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz. Para esta aplicacin se debe usar un dispositivo inversor de potencia que garantice la conversin adecuada. Los inversores de potencia tipo puente son los ms utilizados por sus caractersticas particulares tanto en servicio monof-sico como en trifsico. Las nuevas topologas han permitido la aplicacin de los inversores multinivel, con el objetivo principal de aumentar los niveles de voltaje a la salida y obtener ondas de voltaje y co-rriente de CA casi ideales en funcin de la cantidad de niveles. Adems, se eliminan los armnicos de menor orden que son los que mayor distorsin apor-tan.

El sistema hbrido diseado estara integrado de for-ma general por las siguientes etapas [10]:

1. Arreglo de paneles solares.2. Banco de bateras.3. Circuito de control de carga y cambio autom-

tico.4. Carga de bateras y cambio automtico de ali-

mentacin.5. Circuito de control del inversor.6. Circuito de excitacin o de disparo.7. Inversor de potencia.

Estas etapas estn relacionadas, de acuerdo con el diagrama en bloque de la Fig. 1(a) y el esquema funcional del sistema resultante se muestra en la si-guiente Fig. 1(b).

(a)

Jorge Daz Rodrguez, Luis Pabn Fernndez y Aldo Pardo Garca

71


(b)Fig. 1. Sistema hbrido de energa.(a) Diagrama de bloques, (b) Esquema funcional

2.1 Arreglo de paneles solares

Los paneles solares, mediante el efecto fotovoltaico, convierten los fotones en corriente elctrica, la luz solar causa excitacin en los electrones del panel so-lar y crean un campo electromagntico interno que produce una corriente Esta electricidad de corriente continua se puede utilizar para producir energa elc-trica limpia puesto que no involucra el uso de minera-les fsiles y reduce la contaminacin ambiental y el efecto invernadero.

3. METODOLOGA DE CLCULO DE PANELES SOLARES

Un procedimiento sencillo para dimensionar los pa-neles solares es [11]:

A. Consumo diario

Puede resultar un clculo simple, basta buscar la placa de identificacin de potencia en los aparatos electrodomsticos para determinar su consumo de potencia en vatios. Si no aparece el dato, se mide con la multiplicacin de la corriente y el voltaje para obtener la potencia (se considera el factor de poten-cia unitario). Luego, se multiplica por el nmero de horas que se espera que operen en un da normal para determinar el consumo mximo en vatios-hora. Los televisores, computadores, equipos de sonido, relojes y otros aparatos, a veces, utilizan energa in-cluso cuando estn apagados. Por esta razn, y para tener un margen adicional de potencia, se multiplican los vatios-hora por un factor del 1.5, con esto se tiene en cuenta la prdida de potencia por concepto de cada de voltaje en el cableado de conexin y los ciclos de carga y descarga de la batera.

Otra aproximacin, ms directa y efectiva, para cal-cular la energa para el hogar, est representada en las facturas mensuales para obtener un resultado preciso del consumo mensual de energa.

B. Disponibilidad de la luz solar

Este dato es suministrado por Ideam en el Atlas de radiacin solar de Colombia, con el que se determina la disponibilidad de la luz solar en la regin donde se instalar el sistema. Para Colombia, obtenemos de 4.5-6 horas de sol por da, es suficiente si conside-ramos el peor mes, el de diciembre, que es de 4.5. En la tabla 1 se relaciona el potencial de la energa solar por regiones para Colombia, basado en el Atlas de radiacin colombiano del Ideam y del UPME. Se muestran los datos insolacin y radiacin solar por regiones [12].

El diseo de esta etapa se fundamenta en el peor dato de radiacin establecido para la regin andina, segn un modelo hecho en el Matlab por los autores, con datos geogrficos de Google Earth con el que se obtiene la radiacin mnima Radmin = 463.97 W/m2.

El mtodo utilizado es el equivalente solar que con-siste en definir la energa total de un da y hallar el tiempo equivalente si se estableciera una radiacin promedio Radprom = 1000 W/m2, con el fin de medir la potencia que se ha de instalar, con la potencia no-minal por panel que entrega el fabricante. Las horas de sol diaria (Tsd) aproximada para Colombia son Tsd=10 horas.

TABLA 1: Potencial de la energa solar en Colombia por regiones

Regin Insolacin(Kwh/m2/ao)Radiacin(W/m2)

Guajira 2000 - 2100 684.93 - 719.18

Costa Atlntica 1730 - 2000 592.46 - 684.93

Orinoquia 1550 - 1900 530.82 - 650.68

Andina 1550 1750 530.82 - 599.15

Costa Pacfica 1445 1550 494.86 - 530.82

La insolacin (I) es la cantidad de energa en forma de radiacin solar que llega a un lugar de la Tierra en un da concreto (insolacin diurna) o en un ao (insolacin anual), para nuestro caso:

Sistema hbrido de energa utilizando energa solar y red elctrica

22min 7.46931097.463 mWhrhrmWTRadI sd === (1)

hrmWmWhrRadID proms 639.410007.4693

22 === (2)

WhrhrWtPE autonomann 1600082000 === (3)

WhrWhrDEP sn 3449639.416000instalar === (4)

.1842.162103449 panelesWWWPN ninstalarpaneles === (5)

VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)

hWTPE autonomabateraalmacenada === 1680082100 (11)

hAVhWVEI nalmacenadaAh === 3504816800 (12)

nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)

nSnSnSnSTTTT driverdNOTdoptocoupladresp 1951501530max =++=++=

(15)

72


El equivalente da solar (Ds) ser:

Por tanto, la potencia para instalar (Pinstalar) est de-terminada por la razn de la energa nominal (En) entre el equivalente del da solar (Ds). La energa no-minal se calcula como la relacin de la potencia no-minal Pn (se considera el factor de potencia unitario) por el tiempo de autonoma de la batera (tautomona).

El panel seleccionado sera el KD210GH-2 de la compaa coreana Kyocera, con una potencia nomi-nal de Wn = 210 W/m2 a 1000 W/m2, con un voltaje nominal de Vn = 26.6V y una corriente nominal In = 7.9 A.

C. Potencia del arreglo de paneles solares.La potencia necesaria para instalar es de 2000W (a factor de potencia unitario) y cada panel aporta inde-pendiente una potencia de 210W, por tanto, el nme-ro total de paneles necesarios es:

Se escoge un nmero entero par superior al obtenido (16.42 paneles) porque, para conseguir el voltaje de la batera, se requiere de la conexin en serie de 2 paneles.

Si se asume que el sistema operar en condicin mxima de carga todo el tiempo, y que el objetivo es que utilice lo menos posible la energa convencional de la red, el nmero de paneles se aproxima a los citados anteriormente (18 paneles).

El voltaje nominal de la batera seleccionada ser de 48V, por consiguiente, se requieren dos paneles conectados en serie para alcanzar este nivel. Esto hace que los paneles se agrupen en disposiciones de dos, con seis mdulos en paralelo. As, se forma un generador fotovoltaico de 2*9 con los 18 paneles KD210GH-2, y quedaran dispuestos como se mues-tra en la Fig. 2.

Fig. 2. Arreglo de paneles solares.

El voltaje nominal ser de 48V, aunque el arreglo en-tregar un voltaje a mxima potencia de:

El voltaje mximo de circuito abierto (vaco) es:

La corriente mxima que entregar el arreglo de pa-neles ser de:

La corriente de operacin a potencia nominal tendr un valor de:

Segn el fabricante, la prdida de eficiencia entre una incidencia de radiacin de 1000 W/m2 y 200W/m2 es de aproximadamente 6%. Lo que se ve balan-ceado por el sobredimensionamiento de los paneles solares.

Si se tienen en cuenta los parmetros calculados en el dimensionamiento de la batera, el voltaje a plena carga cumple con el mximo establecido por el fabri-cante de la batera, quien recomienda cargar cada celda con un valor pico mximo de 2.25V, lo que da un voltaje total de 54V. Este voltaje est por encima de los 53.2V nominales del arreglo de los paneles. De igual forma, la mxima corriente que entrega la disposicin de paneles no sobrepasa la calculada para el cargador de la batera. Por esta razn, no es necesario implementar un circuito que controle el flujo de corriente porque la optimizacin del punto de operacin de la batera la realizar el control de car-ga.

D. Determinar la capacidad de la batera

Una posible estimacin de la capacidad de la batera es que se acerque a cinco veces el consumo diario del hogar. Se recomienda que el sistema sea capaz de proporcionar energa de forma continua durante

(2)




22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)

73


cinco das sin recarga, en el caso de que la aplica-cin sea totalmente dependiente del sistema de pa-neles solares. Multiplicar el consumo diario en am-peres por 5, y luego dividir el resultado por el voltaje de la batera (12, 24 48 voltios). El resultado es la capacidad recomendada en amperios-hora (A.h) de la batera.

2.2 Banco de bateras

Considerando que la carga que debe soportar el sis-tema es de 2000 VA, la batera fue dimensionada para proveer Pn=2000W, durante una autonoma de Tautonoma= 8 horas con el fin de garantizar la energa necesaria para alimentar la carga total en un corto tiempo. Se tienen prdidas en el sistema tales como: regulacin en conductores, disipacin en dispositi-vos de control y de potencia, prdidas en transfor-madores y otras, es decir, la potencia, ms un 5% de seguridad, ser la siguiente:

La autonoma del sistema es de 8 horas, por consi-guiente la energa para almacenar ser:

La tensin nominal de la batera es 48V, lo que de-manda una capacidad nominal de:

Como la conexin de bateras en paralelo no es re-comendable, debido a diferencias de voltajes entre las mismas, la conexin de celdas en serie es la ms utilizada, aunque exige la adquisicin de celdas de la misma capacidad. Para este diseo se podran se-leccionar 24 celdas 5 OPzS 350, de voltaje nominal 2 V y de capacidad 350 A.h a una C10, con un voltaje final por celda de 1.8 V. La seleccin de esta bate-ra entrega un margen de 10 horas de autonoma a mxima carga y con un mximo de ciclos de vida til, ya que la operacin del sistema exige una tasa de descarga menor a la dada por el fabricante y el voltaje final de descarga est por encima de 1.75V (valor tpico de descarga total para una batera de Pb-cido).

2.3 Circuito de control de carga y cambio auto-mtico de alimentacin

El circuito de control de carga y cambio automtico es un convertidor CD-CD o fuente de alimentacin

conmutada, convierte un nivel de voltaje de CD de manera eficiente a otro nivel de voltaje de CD, a tra-vs de una etapa intermedia de almacenamiento de energa (inductor), de tal manera que la corriente de carga circule de forma continua y lo ms cercano a un valor constante. Las aplicaciones de este conver-tidor se encuentran en fuentes de poder de baja po-tencia, alrededor de unos pocos kilovatios, como es nuestra aplicacin, en particular como cargador de batera y regulador del voltaje en la carga.

Los convertidores conmutados se clasifican en con-vertidor reductor o tipo Buck, convertidor elevador o tipo Boost y convertidor reductor - elevador (Buck-Boost) o tipo Flyback. El funcionamiento de estos convertidores CD-CD est dado por el almacena-miento temporal de energa en el campo magntico de la inductancia y su posterior entrega. El ajuste del perodo de tiempo determina la cantidad de energa entregada a la carga [13].

En nuestra aplicacin se escogi un conversor tipo Buck. ste transforma el voltaje no regulado en la entrada en un voltaje de salida regulado, siempre in-ferior al de entrada (reductor).

El voltaje del arreglo de los paneles solares, que se constituye en la entrada del conversor, es de Vi = 53.2 V, mientras que el voltaje deseado a la salida (voltaje nominal de la batera) es de Vo = 48 V. El cir-cuito de control utiliza una frecuencia de trabajo fija y genera una modulacin por anchura de pulso (PWM) al comparar un nivel de referencia de CD con una seal diente de sierra, como se muestra en la Fig. 3.

Fig. 3. Convertidor DC-DC tipo reductor (Buck)

La modulacin PWM estar generada por un micro-controlador que se basa en los algoritmos progra-mados con este fin, con ciclos de trabajo variables (10, 50, 70 y 100%) de acuerdo con el estado de la carga de la batera. Usualmente, en esta etapa se




22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)

74


programa el algoritmo de determinacin del punto de mxima transferencia de potencia (MPPT) a partir de los datos de sensado de voltaje y de corriente.

La polaridad del voltaje en la salida se mantiene igual a la del voltaje en la entrada, caracterstica de este conversor y que contribuye a minimizar el ruido ge-nerado, en lo que influye el filtro LC resultante por la combinacin del inductor y el condensador en la salida (filtro pasa bajos). Sin embargo, el voltaje en la entrada recibe los pulsos del transistor de potencia lo que hace que el conversor produzca un ruido ele-vado en la entrada. Para disminuir este ruido se pone un condensador que acta como filtro pasa bajos.

2.4 Carga de bateras y cambio automtico de ali-mentacin

Debido a que el sistema que se pretende disear es de carcter hbrido, ste debe contar con un circui-to capaz de seleccionar la fuente de mayor conve-niencia, para este caso en particular, debe cambiar a alimentacin convencional slo cuando el sistema fotovoltaico no posea las condiciones necesarias para operar. Adems, debe proveer una carga eficaz y disponer de un circuito que garantice las condicio-nes ptimas del flujo de energa de los paneles hacia la batera. Se integraron los dos circuitos con el fin de reducir costos y asegurar que las acciones sean realizadas desde un nico punto, con el propsito de garantizar la coordinacin. El diseo del control est basado en el manejo de tres dispositivos interrupto-res potencia que conectan los puntos clave del siste-ma. En la siguiente tabla se presenta la descripcin de los interruptores.

TABLA 2: Dispositivos interruptores de potencia

Interruptor Conexin Funcin Tipo

S1 Inversor - Carga

Conectar o desconectar la fuente de energa renovable.

Rel

S2 Red CA - Carga

Conectar o desconectar la fuente de energa convencional.

Rel

S3 Paneles - Batera

Desconectar paneles cuando la batera est en sobrecarga y permitir PWM de alta frecuencia.

Mosfet

Los interruptores S1 y S2 son rels ya que funcionan simplemente con acciones de apagado encendido (on-off), para el interruptor S3 se escogi un mosfet debido a la optimizacin del flujo de energa: cuando

la batera alcanza un nivel alto de carga (75%), se debe implementar en S3 una modulacin por ancho de pulso (PWM) de CD.

Con el fin de evitar gasificacin en el electrolito [14] la modulacin PWM debe disminuir el ciclo de traba-jo a medida que el voltaje de la batera aumente. El circuito diseado se muestra en la Fig. 4.

El diseo est basado en el uso del microcontrolador de gama media PIC16F876 que, mediante su m-dulo interno de conversin anlogo digital (ADC) de 10 bits, transforma una seal de voltaje proveniente de un sensor de tensin conectado a la batera en una seal lgica que se compara con las referencias establecidas para realizar las respectivas acciones y visualice en un display de cristal lquido (LCD) el voltaje actual de carga de la batera y los estados en los que se encuentra el sistema.

Fig. 4. Circuito control de carga y cambio de alimen-tacin.

Referencias de voltaje

En la tabla 3 se resumen los estados de los interrup-tores y los rangos de voltajes. En la Fig. 5 se presen-ta el diagrama de flujo que atiende a las necesidades del microcontrolador frente a este diseo [14].


75


TABLA 3: Intervalos de operacin

Fig. 5. Diagrama de flujo de la programacin

2.5 Inversor multinivel en cascada tipo puente h fuente comn asimtrico

El inversor multinivel es una topologa reciente de convertidor electrnico de potencia que sintetiza un voltaje deseado a partir de varios niveles de voltajes de CD. Si se utiliza un nmero suficiente de fuentes de CD o transformadores a la salida, se puede obte-ner una forma de onda de voltaje casi sinusoidal [15].

El inversor multinivel en cascada tipo puente H fuen-te comn simtrico es similar al del inversor multini-vel en cascada tipo puente H multifuente, pero colo-cando transformadores cuyos devanados primarios estn conectados a la salida del inversor y los deva-nados secundarios estn conectados en serie entre s, como se muestra en la Fig. 6 (a) [16], [17] y [18].

(a)

(b)

Fig. 6: (a) Inversor puente H fuente comn asimtrico en cascada de dos etapas (b) operando con cinco nive-les (c) operando con siete niveles.

Se puede construir un inversor multinivel en cascada tipo puente H fuente comn con la proporcin ade-cuada de voltaje la cual es ajustada con la relacin de transformacin. Como puede observarse, a dife-rencia del inversor multifuente, ambos puentes estn alimentados desde una misma fuente CD y adems los transformadores utilizados poseen diferentes re-laciones de transformacin. Este inversor de poten-cia es equivalente al inversor multinivel puente H en cascada con fuente comn simtrico; por lo tanto es capaz de generar cinco niveles de voltajes (dos po-sitivos, dos negativos y el cero), como se muestra en la Fig. 6 (b).

TABLA 4: Transformadores en topologa multinivel fuente comn.

Caracterstica Nmero de niveles3 9 27 81 3k

Nmero de transformadores 1 2 3 4 k

Relacin de transformacin 1:a 1:3a 1:9a 1:27a 1:3k-1a

La ventaja de esta configuracin frente a la que no utiliza transformadores es que con una sola fuente CD se pueden alimentar todos los puentes del inver-sor. Esta ventaja es ms evidente si se aumenta el nmero de etapas del inversor. Por ejemplo, en un inversor de potencia multifuente de 4 etapas necesi-ta 4 fuentes independientes de CD mientras que uno


76


de fuente comn de las mismas caractersticas slo utiliza una fuente CD. No obstante hay que mencio-nar que esta topologa no es de uso prctico para aplicaciones de frecuencia variable.

2.6 Circuito de excitacin

Para activar o desactivar un mosfet es necesario disear un circuito que propicie las condiciones ne-cesarias para que se garantice la transicin de esta-dos y se consiga en un tiempo corto. Los tiempos de conmutacin deben ser pequeos en el orden de los microsegundos [13].

El circuito excitador se obtiene cuando se conec-tan etapas de acoplamiento ptico, se usa el circui-to integrado 6N137 y se adicionan 2 diodos Zener 1N4744A de 15 V (D1, D2) que garantizan voltaje constante y regulado en los mosfet, como se mues-tra en la Fig. 7 [19].

Fig. 7. Circuito excitador para una rama del inversor.

Las seales de control de los dos mosfet de una mis-ma rama, deben contar con un tiempo muerto, con el fin de que, en ninguno de los casos, ambos mosfet conduzcan en el mismo intervalo de tiempo, ya que esto generara un cortocircuito. Para la asignacin de este tiempo muerto se dispone de un arreglo RC con la siguiente caracterstica:

Este circuito asigna un tiempo muerto inferior a los microsegundos para garantizar que no exista la posi-bilidad de cortocircuito en rama alguna. Para reducir inductancias parsitas y tener un ptimo funciona-miento del driver el fabricante provee las siguientes consideraciones para las capacitancias. Estas consi-deraciones se encuentran en las recomendaciones del fabricante, la compaa International Rectifier (IR). Teniendo en cuenta la hoja de caracterstica del dri-ver y del mosfet de mayor potencia:

La recomendacin para el condensador C1 es que este condensador debe ser como mnimo 10 veces mayor al calculado para C, por tanto, los dos con-densadores C y el condensador C1 sern de 10 F.

En la entrada del driver se debe ubicar un condensa-dor entre los pines VDD y VSS del driver, estos pines son la alimentacin del nivel lgico y la tierra con el fin de eliminar rizado en la fuente de alimentacin, el condensador de conexin tpico para el puente H es de 4.77 F. El condensador empleado para la reali-zacin de este diseo es de CBS=10 mF/50V.

La hoja de caractersticas del circuito optoacoplador 6N137 de Hewlett Packard (HP) en sus curvas de caractersticas sugiere que para conseguir un tiem-po de demora de Td optocupla= 30 nS los valores de los componentes son: Cl=15pF y RL=350. Esta dispo-sicin asegura un tiempo de respuesta de:

4. CONCLUSIONES

La calidad de la energa de los sistemas fotovoltaicos depende de la onda de tensin de la seal de voltaje de salida del inversor, es decir, si se disminuye el contenido armnico de esta seal se lograr mejorar sustancialmente la calidad de la energa entregada por estos sistemas. En este trabajo la estrategia em-pleada para optimizar la calidad de energa de los sistemas fotovoltaicos, es utilizar un inversor multini-vel que tenga un contenido armnico muy bajo, para lo que se seleccion el caso de un convertidor multi-nivel de 81 escalones.

La batera es el bloque del sistema hbrido de energa que presenta menor tiempo de vida til y se convierte en un componente crtico. Cuando se disea un sis-tema que utilice bateras estacionarias, no se debe escatimar en otorgar todas las garantas para que opere con un flujo de carga ptimo y que su descar-ga no supere los niveles ni los tiempos recomenda-dos por el fabricante. De all la aparente complejidad del circuito diseado para la carga de la batera. El uso de microcontroladores en el sistema de control de carga, ofrece variantes como la modulacin PWM de ciclo de trabajo variable, que permite optimizar el flujo de energa que proviene de los paneles solares y facilita una mejor visualizacin de los estados en los que el sistema est operando.




22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)



22 === (2)




VVVV p 2.536.2622maxcarga === (6)

VVVVCA 4.662.3322 === (7)

AAII cc 22.7758.899maxp === (8)

AII np 1.719.799 === (9)

WPP nbatera 2100200005.105.1 === (10)



nSegpFCR 10215068000 === (13)

.629.0 FC (14)


(15)

77


La utilizacin de un sistema hbrido como el disea-do es importante si se aplica en el desplazamiento de cargas constantes tales como equipos de refrige-racin, ventiladores y aparatos que deben operar en lugares donde la radiacin solar es alta. As, se dis-minuira la carga alimentada por la red convencional y se aporta en la solucin de la problemtica medio ambiental.

REFERENCIAS

[1] N. Sogari. Diseo de un sistema hbrido solar-elico para proveer de energa a una comunidad. Comunicaciones Cientficas y Tecnolgicas, Dpto. de Fsica - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura - UNNE, Universidad Nacional del Nordeste, Argentina, 2003.

[2] P. Tagle S. y J. Duque R. Diseo preliminar de un sistema hbrido de suministro de energa do-mstica para una comunidad aislada en base al modelado en el software HOMER. Facultad en Ingeniera Mecnica y Ciencias de la Produccin, Repositorio de la Escuela Superior Politcnica del Litoral, Guayaquil, Ecuador, 2003.

[3] J. Gonzlez Espinosa, J. I. Vliz Alonso y Rizcn Toledo. Diseo de un sistema hbri-do con base en energas renovables para ga-rantizar 5 kW a un consumidor. Facultad de Ingeniera Qumica-Mecnica, Universidad de Matanzas, Cuba, 2009.

[4] E. Gutirrez, D. Aguirre, J. Carpio y J. L. Jaramillo. Sistemas mixtos fotovoltaicos - energa elctrica convencional para ilumina-cin: bloque de storage de energa, regula-dor de carga e inversor. Universidad Tcnica Particular de Loja, Loja, Ecuador, 2010.

[5] J. Rocabert Delgado, S. Busquets Monge y J. Bordonau Farrerons. Sistema Autnomo de Generacin de Energa Renovable. Memorias de las XVII Jornadas de Conferencias de Ingeniera Electrnica, Universidad Politcnica de Catalua, Terrassa, Espaa, 2011.

[6] M. Muselli, G. Notton and A. Louche. Design of hybrid-photovoltaic power generator, with optimization of energy management. Solar Energy, Volume 65, Issue 3, 1 February 1999, pp. 143-157.

[7] R. Dufo Lpez. Dimensionamiento y control ptimos de sistemas hbridos aplicando algorit-mos evolutivos. Tesis doctoral, Universidad de Zaragoza, Zaragoza, 2007.

[8] P. Nema, R. K. Nemab and S. Rangnekara. A current and future state of art development of hybrid energy system using wind and PV-solar: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 13, Issue 8, October 2009, pp. 2096-2103.

[9] M. K. Deshmukh and S. S. Deshmukh. Modeling of hybrid renewable energy sys-tems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 12, Issue 1, January 2008, pp. 235-249.

[10] H. L. Gasquet. Sistemas fotovoltaicos mixtos e hbridos. Asociacin Solar de El Paso EPSEA, Texas, 2008.

[11] H. L. Gasquet. Manual sobre los sistemas foto-voltaicos. Asociacin Solar de El Paso EPSEA, Texas, 2007.

[12] H. Rodrguez Murcia. Desarrollo de la ener-ga solar en Colombia y sus perspectivas. Revista de Ingeniera, Facultad de Ingeniera, Universidad de los Andes, Bogot, Colombia, No. 28, July/Dec., 2008.

[13] N. Mohan, M. Undeland y W. Robbins. Electrnica de potencia convertidores, apli-caciones y diseo. 3ra Edicin, Mxico D.F., 2009.

[14] H. Wayne Beaty. Handbook of electric power calculations. 3rd Edition, New York: McGraw-Hill, USA, 2001.

[15] A. Pardo y J. L. Daz. Aplicaciones de los con-vertidores de frecuencia. Estrategias PWM. Universidad de Pamplona, Editorial JAVA E.U., Colombia, 2004.

[16] J. Rodrguez, J.-S. Lai. and F. Z. Peng. Multilevel Inverters: A Survey of Topologies, Controls, and Applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 4, August 2002.

[17] A. A. Breton Schuwirth. Diseo y construccin de un inversor trifsico multinivel de cuatro eta-pas para compensacin armnica y de reacti-vos. Pontificia Universidad Catlica de Chile, Trabajo de grado, Santiago de Chile, 2003.

[18] C. M. Elgueta Daz. Aplicacin de un inver-sor multinivel como variador de frecuencia de un motor de induccin trifsico. Pontificia Universidad Catlica de Chile, Tesis de Maestra, Santiago de Chile, Julio 2005.

[19] J. L. Daz y L. D. Pabn. Diseo y anlisis de un inversor de potencia mutinivel para la aplica-cin en un sistema hbrido de energa. Trabajo de Categora Profesor Asociado. Universidad de Pamplona, Colombia, 2011.


sistema hibrido de energia.pdf

Documents